《Polymers》：Application of Sodium Polyacrylate Superabsorbent Polymer on Moisture Stability of Clay and Prediction of the Suction Potential of the Mixture
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超吸水性聚合物（Superabsorbent polymers, SAPs）如聚丙烯酸钠（sodium polyacrylate, PAAS）是聚丙烯酸的中和形式，属于具有三维柔性高分子链网络、具备优异吸水与持水能力的材料。由于其性质，PAAS 已广泛作为农业
超吸水性聚合物（Superabsorbent polymers, SAPs）如聚丙烯酸钠（sodium polyacrylate, PAAS）是聚丙烯酸的中和形式，属于具有三维柔性高分子链网络、具备优异吸水与持水能力的材料。由于其性质，PAAS 已广泛作为农业土壤水分调节剂使用。研究人员考察了 PAAS 作为基础设施用土体稳定剂的可行性。研究人员采用轴平移法（axis translation method）、渗透技术（osmotic technique）与蒸汽平衡法（vapor equilibrium method）三种吸力测试技术，在较宽含水率范围内确定 PAAS 及土-PAAS 混合物的吸力行为，并建立其土壤-水特征曲线（Soil–Water Characteristic Curve, SWCC）。研究覆盖从近干燥到完全饱和的全吸力谱。试验结果表明，PAAS 的 SWCC 呈现土体中常见的边界区、过渡区和残区三个特征区；但 PAAS 与土混合後，土-PAAS 混合物的 SWCC 中边界区与过渡区消失，该现象归因于土体约束抑制了 PAAS 的吸力能力。与农业中 SAP 颗粒受约束较小不同，工程应用多为高压实土，限制聚合物膨胀与吸水。研究还评估了基于有限试验数据用数值建模预测土-PAAS 混合物吸力行为的可行性。在所考虑方法中，拉格朗日插值（Lagrange interpolation）与 K 近邻（K-nearest neighbors, KNN）建立的预测模型误差低于 10%；深度神经网络模型因数据集规模有限而预测精度较低。
研究背景方面，土体结构与地基失效常随含水率变化发生，因为土的力学行为高度依赖湿度条件。黏土含量高的土在干湿循环下更易收缩与膨胀，抗剪强度会因含水率升高而部分损失并显著软化。传统机械改良成本高、工期长且扰动大；传统化学改良如石灰、水泥、粉煤灰虽可胶结增强并阻水，但存在不可逆、高碳排放、降低肥力及养护周期长等问题。非传统稳定剂与环境友好聚合物虽受关注，但多用于颗粒土，且在细粒土工程性质方面研究不足。农业中 SAP 主要作土壤调理剂改善植物水分供应，而将其用于土木工程、以 SWCC 理解非饱和土行为的系统研究有限。因此，研究人员需要重新评估 SAP 在基础设施中的应用，并弄清土体约束下降水吸收与膨胀被抑制的机制。
该论文发表于《Polymers》。研究人员以最大干密度 17.5 kN/m3、液限 34%、塑限 15%、塑性指数 19%、缩限 12% 的黏土为对象，向干土中添加 0.5%、1% 或 2% 干粉状 PAAS，采用轴平移法、渗透技术与蒸汽平衡法覆盖近零至大于 10 MPa 吸力范围，建立黏土与 PAAS-土混合物的完整 SWCC；进而用机理比例模型、有效 SWCC 模型、拉格朗日多项式插值、KNN、多项式回归与深度神经网络（Deep Neural Network, DNN）预测 1% PAAS 混合物含水率，并以试验值验证。
主要关键技术方法上，研究人员用轴平移法（Tempe 细胞与高进气陶瓷盘）测 0–100 kPa 基质吸力，用聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）溶液经半透膜交换水分的渗透技术测 50 kPa–4 MPa 中等吸力，用氯化钙（CaCl?）盐溶液在干燥器中建立恒定相对湿度以蒸汽平衡法测 10 MPa 以上总吸力；样本为上述黏土及土+0.5%/1%/2% PAAS 混合物。三种方法在低中高吸力段互补，构成全吸力谱 SWCC 数据基础。
研究结果如下。
4.1 已建立 SWCC：研究人员将三法数据拼接，发现轴平移法与渗透技术在 50–100 kPa 重合良好，蒸汽平衡法不宜用于低吸力。PAAS-土混合物在不超过 6000 kPa 吸力下持水能力随 PAAS 掺量显著提高，湿润条件下 2% PAAS 使持水能力达素土约 10 倍；但高于 6000 kPa 时 PAAS 略降持水能力。单独 PAAS 的 SWCC 有边界区、过渡区、残区；混合物中前两段消失。土+2% PAAS 饱和含水率 3.48 g/g，仅相当于自由 PAAS 饱和吸水能力的 1%，说明土体约束使 PAAS 仅处于残区、无法充分膨胀。有效 SWCC 模型给出土体约束下 PAAS 饱和吸水约 140 g/g，为自由状态 400 g/g 的约 35%，与既有砂土中 0.34 荷载因子一致。
4.2 SWCC 预测：简单比例模型仅在残区 500–20000 kPa 与试验吻合，低吸力段失效，说明 PAAS 与土并非独立作用。有效 SWCC 模型引入修正系数後与试验吻合。基于土+0.5% PAAS 与土+2% PAAS 数据，拉格朗日插值与 KNN 对土+1% PAAS 的预测误差低于 10%；多项式回归精度最低；DNN 虽可接受但不适用于小数据集。研究人员认为拉格朗日插值与 KNN 可利用已有 SWCC 便捷生成新混合物 SWCC。
讨论部分总结为，PAAS 作为土木添加剂具调节水分波动潜力，但工程压实与离子环境会压制其吸水膨胀，使其有效行为限于残区。预测上，机理比例模型宜用于高吸力，数据驱动的小样本插值或近邻法更适合跨掺量推演 SWCC；大容量神经网络需更大数据支撑。后续应研究 pH、温度、级配及抗剪、压缩、破坏机制与降解性。
结论部分翻译如下：PAAS 持释水能力使其适合作为岩土工程土体添加剂，在边坡、土构与地基中有望成为新型稳定剂。建立 SWCC 表明，PAAS 在不超过 6000 kPa 吸力下显著提升混合物吸力势，更高吸力下略降持水性，反映其在较干条件下向土释水。混合物 SWCC 无过渡区与边界区，说明土体结构约束及盐分离子使 PAAS 膨胀受限，混合时吸水能力远低于单独 PAAS。基本比例模型在残区与试验吻合，但低吸力不准，印证 PAAS 在土中吸水被限於残区、饱和膨胀仅约 35%。实践中 SWCC 试验耗时，拉格朗日插值最准但计算量与误差较高，KNN 简单快速且精度接近。PAAS 在农业应用广，但土木应用研究少，需进一步在 pH、温度、级配等现场条件下表征，并研究其对抗剪强度、压缩性与破坏机制影响，以及 PAAS 长期生物降解性。
